Tiểu luận siêu cao tần-Đồ thị dòng tín hiệu và ứng dụng

TIỂU LUẬN MÔN KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Đề Tài: Tìm hiểu về đồ thị dòng tín hiệu và ứng dụng MỞ ĐẦU I.Phân tích mạng siêu cao tần 1.Khái niệm về mạng siêu cao tần 2. Phân tích mạng siêu cao tần II.Đồ thị dòng tín hiệu 1.Khái niệm đồ thị dòng tín hiệu 2. Đồ thị dòng tín hiệu biểu diễn mạng 2 cổng 3. Đồ thị dòng tín hiệu biểu diễn mạng 1 cổng 4. Các quy tắc phân tích đồ thị dòng tín hiệu III.Ứng Dụng KẾT LUẬN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TIỂU LUẬN MÔN KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN Đề Tài: Tìm hiểu đồ thị dịng tín hiệu ứng dụng Người hướng dẫn : TS.Hồ Mạnh Cường Người thực : Hoàng Nghĩa Sáng Mã sinh viên : 18810540010 Lớp : D13DT&KTMT Hà Nội,ngày,20 tháng 12 năm 2021 MỤC LỤC Trang Mở đầu …………………………………………………………………………… Phần I: Phân tích mạng siêu cao tần ………………………………………… … Khái niệm mạng siêu cao tần…………………………………………… 2 Phân tích mạng siêu cao tần …………………………………… Phần II: Đồ thị dịng tín hiệu…………… ……………………………………… 4 Khái niệm đồ thị dịng tín hiệu ………………………………………………4 Đồ thị dịng tín hiệu biểu diễn mạng cổng………………………………….5 Đồ thị dịng tín hiệu biểu diễn mạng cổng………………………………….6 Các quy tắc phân tích đồ thị dịng tín hiệu ………………………………… Phần III:Ứng Dụng Kết luận…………………………………………………………………… 11 MỞ ĐẦU Siêu cao tần lĩnh vực đặc thù ngành Điện tử Viễn thơng, khảo sát tượng truyền sóng đặc tính hoạt động mạch điện tần số siêu cao Vùng tần số định nghĩa siêu cao tùy thuộc hoàn toàn vào quan điểm người phân tích thiết kế sử dụng thiết bị mà không thiết phải giới hạn từ mốc tần số trở lên Có thể diễn giải cách nơm na tần số tín hiệu siêu cao kích thước mạch điện so sánh với bước sóng truyền tín hiệu Với phát triển vượt bậc mơn kỹ thuật siêu cao tần trở thành môn học chuyên ngành cho nhiều ngành khoa học, kỹ thuật như:Điện, Điện tử,Tin học,Viễn thơng,Tự động hóa Trong xu hướng bùng nổ kỹ thuật viễn thông giới, kỹ thuật thông tin vệ tin, vi ba, đa, quang học, vấn đề về kỹ thuật Siêu cao tần lại trở thành vấn đề quan trọng nhà nguyên cứu, thiết kế phát triển kỹ thuật Đồ thị dịng tín hiệu kỹ thuật bổ sung hữu ích cho việc phân tích mạng siêu cao tần theo sóng truyền sóng phản xạ Vì vậy, q trình học môn Kỹ thuật siêu cao tần em hướng dẫn thầy Hồ Mạnh Cường em tìm hiểu nghiên cứu đề tài “Tìm hiểu đồ thị dịng tín hiệu ứng dụng ” Phần I: Phân tích mạng siêu cao tần 1.Khái niệm mạng siêu cao tần Các mạch điện hoạt động tần số thấp kích thước mạch tương đối nhỏ so với bước sóng xem liên kết phần tử tập trung tích cực thụ động có điện áp dịng điện xác định điểm mạch Trong tình kích thước mạch đủ nhỏ cho thay đổi pha nhỏ không đáng kể điểm với điểm khác mạch Ngồi ra, trường xem trường TEM hỗ trợ hai hay nhiều dây dẫn Điều dẫn tới loại nghiệm cận tĩnh điện cho phương trình Maxwell định luật Kirchhoff cho điện áp dòng điện khái niệm trở kháng lý thuyết mạch Như bạn đọc biết, có nhiều kỹ thuật mạnh hữu ích cho phân tích mạch điện tần số thấp Nói chung, kỹ thuật khơng thể áp dụng trực tiếp cho mạch cao tần Tuy nhiên, mục đích chương khái niệm mạch mạng mở rộng để giải nhiều toán phân tích thiết kế cao tần quan tâm thực tế Lý để làm điều ta dễ dàng áp dụng ý tưởng đơn giản trực giác phân tích mạch cho toán cao tần so với việc giải phương trình Maxwell cho tốn Phân tích trường cho ta nhiều thơng tin tốn xem xét ta thực muốn cần Tức là, nghiệm phương trình Maxwell cho tốn cho hồn chỉnh, cho ta trường điện từ điểm không gian Nhưng thường quan tâm đến điện áp hay dòng điện cực, công suất chảy qua thiết bị hay số đại lượng "tồn cục" khác tương phản với mơ tả chi tiết đáp ứng điểm không gian Một lý khác cho việc sử dụng phân tích mạch hay mạng dễ sửa đổi toán gốc, kết hợp số phần tử khác lại tìm đáp ứng mà khơng cần phân tích chi tiết hành vi phần tử kết hợp với lân cận Phân tích trường sử dụng phương trình Maxwell cho tốn khó khăn vơ ích Tuy nhiên có tình kỹ thuật mạch coi đơn giản mức dẫn tới kết khơng xác Trong trường hợp ta phải sử dụng phương pháp phân tích trường với phương trình Maxwell Một phần chương trình đào tạo kỹ sư cao tần tạo khả xác định khái niệm phân tích mạch áp dụng chúng cần phải loại trừ Trình tự cho phân tích mạng cao tần mô tả sau: Trước tiên xét loạt toán kinh điển, sử dụng phân tích trường phương trình Maxwell (Như ta thực Chương cho nhiều loại đường truyền ống dẫn sóng khác nhau) Khi thực điều cố gắng đạt đại lượng có liên hệ trực tiếp tới tham số đường truyền hay mạch điện Ví dụ, ta phân tích đường truyền ống dẫn sóng khác rút số truyền lan trở kháng đặc tính đường truyền Điều cho phép đường truyền hay ống dẫn sóng coi phần tử phân bố đặc trưng độ dài, số truyền lan trở kháng đặc tính Tới đây, kết nối nhiều phần tử khác sử dụng lý thuyết đường truyền và/hoặc lý thuyết mạch để phân tích hành vi toàn hệ thống phần tử, kể hiệu ứng hệ số phản xạ, tổn hao, chuyển đổi trở kháng, chuyển tiếp từ loại môi trường truyền dẫn sang môi trường khác (chẳng hạn từ cáp đồng trục sang đường truyền vi dải) Như thấy, chuyển tiếp đường truyền khác hay điểm gián đoạn đường truyền nhìn chung khơng thể xem kết nối đơn giản hai đường truyền mà phải xét số kiểu mạch điện tương đương để tính cho điện kháng liên quan tới chuyển tiếp hay gián đoạn Trở kháng , điện áp dòng điện tương đương + Việc đo điện áp dòng điện dải siêu tần khó khăn Trường hợp có cặp điện cực loại sóng TEM (cáp đồng trục, đường truyền dải) dễ dàng loại phi TEM Ở đường tích phân dây (+) kết thúc dây (-) Ở đường tích phân đường cong kín bao quanh dây (+), khơng phải (-) Trở kháng đặc tính sóng truyền lan: + Trường hợp đường truyền khơng phải loại sóng TEM (Ống dẫn sóng) Xét mode chủ đạo TE10 (giả thiết số truyền sóng đường truyền) Ở phương trình phụ thuộc vào vị trí x độ dài lấy tích phân dọc theo chiều y Từ sở người ta xây dựng phương trình điện áp dịng điện tương đương cho trường hợp tổng quát: Phân tích mạng siêu cao tần 2.1 Ma trận truyền ABCD Các mạng SCT thường gặp thực tế bao gồm mạng cổng dãy cascade mạng cổng Các ma trận đặc trưng (S, Z, Y) dãy mạng cổng tích ma trận x (ABCD) mạng cổng Ma trận ABCD định nghĩa : Hình 1.1 Kết nối mạng hai cổng: Hình 1.2 Quan hệ với ma trận trở kháng: Ta có: Bảng tham số ABCD số mạng hai cổng hữu ích: Hình 1.3 2.2 Ma trận trở kháng ma trận dẫn nạp điểm định cổng thứ n, mặt phẳng kết cuối tn định nghĩa điện áp dịng điện tương đương cho sóng tới (Vn + , In + ) sóng phản xạ (Vn - , In - ) hình Hình 1.4 Ma trận trở kháng [Z]: Ma trận dẫn nạp [Y]: Ma trận trở kháng dẫn nạp nghịch đảo: Các tham số trở kháng dẫn nạp liên hệ với điện áp dòng điện cổng tính: Lưu ý: + Đối với mạch tương hỗ ma trận [Z] (hoặc [Y]) có zij yij (i ≠ j) đối xứng với qua đường chéo + Đối với mạch khơng tổn hao ma trận [Z] (hoặc [Y]) có giá trị ảo 2.3 Ma trận tán xạ -Ma trận tán xạ phù hợp với phép đo trực tiếp từ sóng tới, sóng phản xạ sóng truyền dải siêu cao tần Vì kích thước mạch so sánh với bước sóng điểm lệch pha phần tử lớn 10 Trong tham số Sii hệ số phản xạ nhìn từ cổng i cổng khác kết cuối tải phối hợp, tham số Sij hệ số truyền từ cổng j tới cổng i cổng khác kết cuối tải phối hợp + Các tham số tán xạ liên hệ với tín hiệu điện áp tới phản xạ, tính: + Ma trận [S] xác định qua ma trận [Z] [Y]: Giả sử trở kháng đặc tính tất cổng Z0n = Phần II: Đồ thị dịng tín hiệu 1.Khái niệm đồ thị dịng tín hiệu -Là kỹ thuật bổ sung hữu ích cho việc phân tích mạng siêu cao tần theo sóng truyền sóng phản xạ 12 -Các thành phần đồ thị dịng tín hiệu nút nhánh + Nút (Nodes): cổng i mạng SCT có hai nút bi Nút định nghĩa sóng vào (tới) cổng i, nút bi định nghĩa sóng phản xạ lại từ cổng i Điện áp nút tổng tất tín hiệu vào nút + Nhánh (branches): nhánh đường dẫn có hướng hai nút đại diện cho dịng tín hiệu từ nút sang nút khác Mỗi nhánh có tham số tán xạ liên quan hệ số phản xạ Sóng tới với biên độ a tách thành 2, phần qua S11 (và khỏi cổng sóng phản xạ b1) phần truyền qua S21 tới node b2 Tại node b2 sóng khỏi cổng Nếu có tải với hệ số phản xạ zero nối vào cổng sóng tái phản xạ phần vào mạng node a2 Một phần tái phản xạ khỏi cổng qua S22 phần truyền khỏi cổng qua S12 2.Đồ thị dịng tín hiệu biểu diễn mạng cổng Hình biểu diễn chuyển tiếp cáp đồng trục đường truyền vi dải xem la ví dụ mạng hai cửa Các mặt phẳng kết cuối xác định điểm hai đường truyền; lựa chọn thuận tiện hình vẽ Nhưng gián đoạn mặt vật lý nơi chuyển tiếp nên lượng điện /hoặc từ tích trữ gần chỗ nối dẫn tới hiệu ứng phản kháng Đặc trưng cho hiệu ứng đạt cách đo hay phân tích lý thuyết (mặc dù việc phân tích phức tạp) biểu diễn "hộp đen" hai cửa Hình (b) Các đặc điểm chuyển tiếp biểu diễn theo tham số mạng (Z, Y, S, ABCD) mạng hai cửa Cách giải áp dụng cho nhiều khớp nối hai cửa khác chẳng hạn chuyển tiếp từ loại đường truyền sang loạt đường truyền khác, gián đoạn đường truyền chẳng hạn thay đổi nhảy bậc độ rộng hay uốn cong, vv 13 (a) định nghĩa sóng tới sóng phản xa (b) đồ thị dịng tín hiệu Hình 2.1 3.Đồ thị dịng tín hiệu biểu diễn mạng cổng Trong phần thảo luận số đặc điểm trở kháng điểm nguồn mạng cửa Trước hết xét mạng cửa Công suất phức đưa tới mạng cho P` thực đại diện cho cơng suất trung bình tiêu thụ mạng Wm We đại diện cho lượng từ trường điện trường tương ứng Lưu ý véc tơ pháp tuyến đơn vị Hình hướng vào bên khối Nếu ta xác định trường mode ngang thực e¯ h¯ qua mặt phẳng cực mạng cho 14 với chuẩn hóa cho ( biểu diễn dạng điện áp dịng điện Khi trở kháng vào Do thấy phần thực R trở kháng vào liên hệ với công suất tiêu thụ phần ảo X liên quan tới lượng tĩnh tích trữ mạng Nếu mạng khơng tổn hao P`=0 R=0 Khi Zin ảo với điện kháng dương tải điện cảm (Wm > We) ảo tải điện dung (Wm < We) 15 (a) mạng cổng đồ thị dòng tín hiệu (b) Nguồn đồ thị dịng tín hiệu Hình 2.2 4.Các quy tắc phân tích đồ thị dịng tín hiệu - Quy tắc (quy tắc nối tiếp): hai nhánh, có nút chung có sóng đến sóng (các nhánh nối tiếp), kết hợp để tạo thành nhánh có hệ số tích hệ số nhánh ban đầu Hình 2.3 -Quy tắc (quy tắc song song): Hai nhánh từ nút chung đến nút chung khác (các nhánh song song) kết hợp thành nhánh có hệ số tổng hệ số nhánh ban đầu 16 Hình 2.4 Quy tắc (quy tắc vịng tự lặp): Khi nút có vịng tự lặp (một nhánh bắt đầu kết thúc nút) hệ số S, vịng tự lặp loại bỏ cách nhân hệ số nhánh vào nút với 1/(1 - S) Hình 2.5 Quy tắc (quy tắc chia tách): Một nút chia tách thành hai nút riêng biệt miễn đồ thị kết có chứa tổ hợp nhánh đầu vào, đầu riêng biệt (vịng khơng tự lặp) kết nối với nút ban đầu Hình 2.6 + Ví dụ: 17 Hình 2.7 18 Phần III: Ứng dụng Đồ thị dịng tín hiệu ứng dụng việc phân tích hệ thống phản hồi nhiều vòng lặp xác định ảnh hưởng phần tử thông số cụ thể hệ thống phản hồi tổng thể Chúng ta sử dụng đồ thị dịng tín hiệu để tính tốn biểu thức vào cho mạng n cổng Ví dụ : Ta có mạng cổng hình 19 Hình 3.1 Từ đồ thị dịng tín hiệu suy biểu thức: Ứng dụng đồ thị dịng tín hiệu để hiệu chuẩn trình phân tích mạng Thru-ReflectLin Là ứng dụng sâu đồ thị dịng tín hiệu, việc hiệu chuẩn máy phân tích mạng kỹ thuật Thru-Reflect-Line (TRL) dùng để đo thơng số tán xạ thiết bị hai cổng Hình 3.2 mặt phẳng tham chiếu định.Một mạng máy phân tích đo thơng số tán xạ tỷ số biên độ điện áp phức tạp Mặt phẳng cho phép đo thường số điểm máy phân tích nó, phép đo bao gồm tổn thất độ trễ pha tác động đầu nối, cáp chuyển tiếp phải sử dụng để kết nối thiết bị cần thử nghiệm (DUT) vào máy phân tích hiệu ứng gộp lại với hộp lỗi hai cổng đặt cổng mặt phẳng tham chiếu đo lường thực tế mặt phẳng tham chiếu mong muốn cho DUT hai cổng Quy trình hiệu chuẩn sử dụng để 20 xác định đặc điểm hộp lỗi trước đo DUT; sau lỗi thực tế sửa chữa.Các tham số tán xạ DUT tính tốn từ liệu đo mạng cổng coi phiên rút gọn trường hợp hai cổng Chúng ta sử dụng đồ thị luồng tín hiệu để suy phương trình cần thiết để tìm tham số phân tán cho hộp lỗi quy trình hiệu chuẩn TRL áp dụng kết nối Thru, Reflect Line mặt phẳng tham chiếu cho DUT đo thông số tán xạ cho ba trường hợp Giả định trở kháng đặc tính giống cho cổng 2, hộp lỗi tương hỗ giống hệt cho hai cổng Các hộp lỗi đặc trưng ma trận tán xạ [S] và, cách khác, ma trận ABCD Do S21 = S12 cho hai hộp lỗi Lưu ý cổng hộp lỗi nằm vị trí đối diện chúng kết nối đối xứng Để tránh nhầm lẫn ký hiệu, biểu thị thông số tán xạ đo cho Thru, Reflect Line kết nối tương ứng ma trận [T], [R] [L] xếp cho kết nối Thru kết nối tương ứng đồ thị dịng tín hiệu Quan sát sử dụng thực tế S21 = S12 hộp lỗi giống hệt xếp đối xứng Biểu đồ luồng tín hiệu dễ dàng giảm cách sử dụng quy tắc phân hủy để cung cấp thông số tán xạ đo mặt phẳng đo lường tham số tán xạ hộp lỗi : 21 Theo phép đối xứng, có T22 = T11, theo phép tương hỗ, có T21 = T12 22 Hình 3.3 Ta có: để cung cấp tham số tán xạ mặt phẳng tham chiếu DUT Bởi làm việc với tầng gồm ba mạng hai cổng, nên việc sử dụng tham số ABCD thuận tiện Do đó, chuyển đổi tham số tán xạ hộp lỗi thành tham số ABCD tương ứng, chuyển đổi tham số tán xạ đo tầng thành tham số Am Bm Cm Dm tương ứng Nếu sử dụng A B C D để biểu thị tham số cho DUT, có: thay đổi phần tử ma trận cuối dẫn đến việc đảo ngược cổng cho hộp lỗi cổng DUT Sau đó, tham số ABCD cho DUT xác định như: 23 Kết Luận Qua báo cáo em hiểu nắm vững lý thuyết đồ thị dịng tín hiệu.Sử dụng thành thạo đồ thị dịng tín hiệu để phân tích mạch siêu cao tần phân bố đơn giản tính tốn mạch phối hợp trở kháng.Thơng qua mơn học kỹ thuật siêu cao tần, giúp em hiểu biết thêm nhiều thứ thơng qua ứng dụng thơng tin vệ tinh, vi ba, radar, quang học Do trình độ thời gian hạn chế, em chưa thể tìm hiểu hết kiến thức ứng dụng đồ thị dịng tín hiệu Vì vậy, báo cáo cịn nhiều thiếu sót, mong nhận góp ý thầy 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Mạnh Cường, KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN [2] Nghiêm Xuân Anh, Cơ Sở Kỹ Thuật Siêu Cao Tần, 31 2005 [3] David M Pozar, Microwave Engineering 25 26 ... dịng tín hiệu nút nhánh + Nút (Nodes): cổng i mạng SCT có hai nút bi Nút định nghĩa sóng vào (tới) cổng i, nút bi định nghĩa sóng phản xạ lại từ cổng i Điện áp nút tổng tất tín hiệu vào nút + Nhánh... Các ma trận đặc trưng (S, Z, Y) dãy mạng cổng tích ma trận x (ABCD) mạng cổng Ma trận ABCD định nghĩa : Hình 1.1 Kết nối mạng hai cổng: Hình 1.2 Quan hệ với ma trận trở kháng: Ta có: Bảng tham... Hình 1.3 2.2 Ma trận trở kháng ma trận dẫn nạp điểm định cổng thứ n, mặt phẳng kết cuối tn định nghĩa điện áp dòng điện tương đương cho sóng tới (Vn + , In + ) sóng phản xạ (Vn - , In - ) hình